一种平衡式转动关节机械臂及其机器人的制作方法

1.本实用新型涉及工业机器人技术领域，具体涉及一种平衡式转动关节机械臂及其机器人。


背景技术：

2.工业机器人是用于制造生产的机器人系统。工业机器人一般有三个及以上运动轴的自动化装置，每个运动轴的位置均为工业机器人的一个转动关节。
3.从现有的机器人关节轴运动的原理分析，若要实现两个臂之间的运动就必须通过一个关节轴(rv减速机或其它结构减速机)来作为机构的支撑点，相对的这关节轴点一方面要起到支撑作用另一方面也要起到转矩的作用，为了平衡机构所需要力矩，市面上大多数搬运机器人关节部分都会采用rv减速机来作为转轴力矩的传递，涉及到重载荷搬运时rv减速机的转矩、体积、重量也会随之加大，导致机器人本体重量远大于所需要搬运物料的重量，从而造成资源及成本的浪费。也因重载荷关节机器人的体积过大造价过高而无法普及到中小企业来使用。
4.并且，工业机器人的机械臂自身的长度及重量增加后，工业机器人上的驱动源需要先克服其自身关节转动位置的自重后才能驱动工作物运动，这样就导致驱动各个关节的驱动源负载较大，导致驱动源长时间输出功率较高，易导致驱动源过热，降低了驱动源的使用寿命。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于克服上述技术不足，提供一种平衡式转动关节机械臂及其机器人，通过设置反向卸力结构，平衡机械臂自身的较大重力，解决现有技术中工业机器人转向关节处受到机械臂较大自重，导致驱动源长时间负载较大的技术问题。
6.为达到上述技术目的，本实用新型的技术方案提供一种平衡式转动关节机械臂，包括：
7.第一连接部；
8.第二连接部，所述第二连接部与所述第一连接部铰接，且所述第二连接部与所述第一连接部的铰接轴线为第一轴线；
9.第一驱动源，所述第一驱动源与所述第一连接部或/和所述第二连接部驱动连接，并可驱动所述第二连接部以所述第一轴线为转动轴线相对所述第一连接部转动；
10.拉力平衡部，所述拉力平衡部具有第一拉力端及第二拉力端，所述第一拉力端与所述第二拉力端之间由弹性连接，所述第一拉力端与所述第一连接部铰接，且所述第一拉力端与所述第一连接部的铰接轴线为第二轴线，所述第二拉力端与所述第二连接部铰接，且所述第二拉力端与所述第二连接部的铰接轴线为第三轴线，其中，所述第一轴线、第二轴线、第三轴线均相互平行，且均不共线。
11.进一步的，所述第一连接端与所述第二连接端的弹性连接部位的刚度可调。
12.进一步的，所述拉力平衡部包括套筒、活塞板、芯轴、可拆装弹性件，所述套筒的一端开口，所述活塞板与所述套筒滑动连接，所述芯轴的一端延伸至所述套筒内，并与所述活塞板固定连接，所述可拆装弹性件为多个，各所述可拆装弹性件均一端与所述套筒连接、另一端均与所述活塞板连接，所述活塞板相对所述套筒的运动方向与所述可拆装弹性件的运动方向一致，所述第一连接端与所述芯轴相对固定，所述第二连接端与所述套筒相对固定。
13.进一步的，所述可拆装弹性件为多个，多个所述可拆装弹性件沿着所述芯轴的周向均匀布置，并且各所述可拆装弹性件均设置于所述套筒的端板与所述活塞板之间。
14.本实用新型的技术方案还提供了一种平衡式转动关节机器人，包括前述的任一平衡式转动关节机械臂。
15.进一步的，所述的平衡式转动关节机器人还包括第三连接部及第二驱动源，所述第三连接部铰接于所述第二连接部远离所述第一连接部的一端，所述第二驱动源与所述第二连接部或/和所述第三连接部驱动连接，并可驱动所述第三连接部相对所述第二连接部转动。
16.进一步的，所述的平衡式转动关节机器人还包括第四连接部及第三驱动源，所述第四连接部铰接于所述第三连接部远离所述第二连接部的一端，所述第三驱动源与所述第三连接部或/和所述第四连接部驱动连接，并可驱动所述第四连接部相对所述第三连接部转动。
17.进一步的，所述第三驱动源包括滑槽安装座组件、第三连接头、缸体连接组件、螺母顶杆、第三滚珠丝杠副、第三伺服电机，所述第三连接头的两侧设置有滚动轴承，所述滚动轴承内置于所述滑槽安装座组件上开设的滑槽内，所述螺母顶杆与所述滑槽安装座组件滑动连接，所述第三连接头固定于所述螺母顶杆的一端，所述第三伺服电机通过缸体组件转接固定于所述滑槽安装座组件上，所述第三滚珠丝杠副的丝杠一端与所述第三伺服电机连接，所述第三滚珠丝杠副的丝杆的另一端与所述螺母顶杆螺纹连接，第三连杆的一端与所述第三连接头铰接、所述第三连杆的另一端与所述第四连接部铰接。
18.进一步的，所述的平衡式转动关节机器人还包括第五伺服电机及回转头，所述第五伺服电机安装于所述第四连接部上，所述第五伺服电机与所述回转头驱动连接，并可驱动所述回转头相对所述第四连接部转动。
19.与现有技术相比，本实用新型的有益效果包括：在机械臂的转动关节处设置拉力平衡部，机械臂在运转的过程中，第一连接部与第二连接部之间通常具有倾角，此时拉力平衡部的两端连接住第一连接部、第二连接部，从而约束住第一连接部相对所述第二连接部的转动，进而减轻了第一驱动源的负载扭矩，达到平衡力的功能，同时，机器人其机构的关节部分运动是采用滚珠丝杆作为传动机构，并结合杠杆的原理来布置结构，利用两臂之间铰接轴作为支撑点、滚珠丝杆传动模组作为动力作用点，通过这两个点的有效结合来实现机器人关节运动。丝杆与螺母传动时具有自锁性强的优点。
附图说明
20.图1是本实用新型提供的平衡式转动关节机器人一种实施方式的立体结构示意图；
21.图2是图1的爆炸结构示意图；
22.图3是本实用新型提供的平衡式转动关节机器人中第一驱动源的第一视角立体结构示意图；
23.图4是本实用新型提供的平衡式转动关节机器人中第一驱动源的第二视角立体结构示意图；
24.图5是本实用新型提供的平衡式转动关节机器人中拉力平衡部的剖面结构示意图；
25.图6是本实用新型提供的平衡式转动关节机器人中第二驱动源的立体结构示意图；
26.图7是本实用新型提供的平衡式转动关节机器人中第三驱动源的立体结构示意图；
27.图8是本实用新型提供的平衡式转动关节机器人中第四连接部上设置第五转动关节的结构示意图；
28.图9是本实用新型提供的平衡式转动关节机器人中第四连接部上未设置第五转动关节的结构示意图；
29.图10是本实用新型提供的平衡式转动关节机器人中第一连杆连接位置的局部放大结构示意图；
30.图11是本实用新型提供的平衡式转动关节机器人中第二连杆连接位置的局部放大结构示意图；
31.图12是本实用新型提供的平衡式转动关节机器人中第三连杆连接位置的局部放大结构示意图。
具体实施方式
32.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
33.需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
34.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
35.本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
36.请参阅图1～图12，本实施例提供了一种平衡式转动关节机械臂，包括：第一连接部1、第二连接部2、第一驱动源a1及拉力平衡部b。
37.所述第二连接部2与所述第一连接部1铰接，且所述第二连接部2与所述第一连接部1的铰接轴线为第一轴线，所述第一驱动源a1与所述第一连接部1或/和所述第二连接部2驱动连接，并可驱动所述第二连接部2以所述第一轴线为转动轴线相对所述第一连接部1转
动。
38.所述拉力平衡部b具有第一拉力端及第二拉力端，所述第一拉力端与所述第二拉力端之间由弹性连接，所述第一拉力端与所述第一连接部1铰接，且所述第一拉力端与所述第一连接部1的铰接轴线为第二轴线，所述第二拉力端与所述第二连接部2铰接，且所述第二拉力端与所述第二连接部2的铰接轴线为第三轴线，其中，所述第一轴线、第二轴线、第三轴线均相互平行，且均不共线。
39.在机械臂的转动关节处设置拉力平衡部，机械臂在运转的过程中，第一连接部1与第二连接部2之间通常具有倾角，第一连接部1或第二连接部2的自重会产生扭矩，此时拉力平衡部的两端连接住第一连接部1、第二连接部2，从而约束住第一连接部1相对所述第二连接部2的转动，进而减轻了第一驱动源a1的负载扭矩，达到平衡力的功能。
40.为了实现平衡力的大小与负载扭矩的匹配，所述第一连接端与所述第二连接端的弹性连接部位的刚度可调。
41.具体的，所述拉力平衡部b包括套筒b1、活塞板b2、芯轴b3、可拆装弹性件b4，所述套筒b1的一端开口，所述活塞板b2与所述套筒b1滑动连接，所述芯轴b3的一端延伸至所述套筒b1内，并与所述活塞板b2固定连接，所述可拆装弹性件b4为多个，各所述可拆装弹性件b4均一端与所述套筒b1连接、另一端均与所述活塞板b2连接，所述活塞板b2相对所述套筒b1的运动方向与所述可拆装弹性件b4的运动方向一致，所述第一连接端与所述芯轴b3相对固定，所述第二连接端与所述套筒b1相对固定，所述可拆装弹性件b4为多个，多个所述可拆装弹性件b4沿着所述芯轴b3的周向均匀布置，并且各所述可拆装弹性件b4均设置于所述套筒b1的端板与所述活塞板b2之间，例如，所述可拆装弹性件b4可以选用氮气弹簧，所述氮气弹簧是一种以高压氮气为工作介质的新型弹性组件，它体积小、弹力大、行程长、工作平稳，制造精密，使用寿命长，弹力曲线平缓，不需要预紧，它可以完成金属弹簧、橡胶和气垫等常规弹性组件难于完成的工作。
42.所述活塞板b2上开设有多个贯穿其两侧端面的通孔b2a，多个所述通孔b2a沿着所述活塞板b2的周向均匀布置，所述氮气弹簧的总个数与所述螺栓孔b2a的个数一致，氮气弹簧的壳体的尾部设置有与其同轴的螺钉孔，使螺钉的螺尾穿过所述通孔b2a后与所述螺钉孔螺纹连接，所述套筒31的尾端设置有盖板b5，所述盖板b5用于覆盖套筒b1的尾端开口，例如，盖板b5可与所述套筒b1螺纹连接，使用时，可将盖板b5拆卸下来后，再拆掉螺钉，即可拆掉对应的氮气弹簧，氮气弹簧在安装时，每两个对称安装(也可每三个周向阵列布置)，保证受理的均匀与平衡，所述氮气弹簧的个数可以根据机器人的负载大小进行调整，最终实现配重平衡的目的。
43.本实施例还提供了一种平衡式转动关节机器人，该平衡式转动关机机械臂中的至少一个关节处使用了上述平衡式转动关节机械臂。
44.具体的，所述的平衡式转动关节机器人还包括第三连接部3及第二驱动源a2，所述第三连接部3铰接于所述第二连接部2远离所述第一连接部1的一端，所述第二驱动源a2与所述第二连接部2或/和所述第三连接部3驱动连接，并可驱动所述第三连接部3相对所述第二连接部2转动。
45.所述第二连接部2包括两个并排布置的第二夹板，所述第二驱动源a2夹设于两个所述第二夹板之间，所述的平衡式转动关节机器人还包括第四连接部4及第三驱动源a3，所
述第四连接部4铰接于所述第三连接部3远离所述第二连接部2的一端，所述第三驱动源a3与所述第三连接部3或/和所述第四连接部4驱动连接，并可驱动所述第四连接部4相对所述第三连接部3转动。
46.同样的，所述第三连接部3包括两个并排布置的第三夹板，所述第三驱动源a3夹设于两个所述第三夹板之间，上述的夹板式结构充分利用的了第三连接部3及第二连接部2的内部空间，使得机械臂的结构更加紧凑。
47.具体的，所述第一连接部位1为一安装台，所述第一连接部1安装在第一回转驱动组件a4上，所述第一回转驱动组件a4包括第四伺服电机a4b、第一齿轮、第二齿轮，所述第一齿轮中间开设有贯穿其两侧端面的第一通槽a4a，所述第二齿轮与所述第一齿轮相啮合，所述第四伺服电机a4b与所述第二齿轮驱动连接，所述第一齿轮转动连接于基座5的上端面，所述基座5具有一容置腔，所述基座5的容置腔的上端开口与所述第一通槽a4a连通，所述第一驱动源a1下端可内置于所述容置腔，上述结构进一步提供了机械臂结构的紧凑性，所述第一驱动源a1包括第一壳体组件a11、第一轴承座a12、第一滚珠丝杠副a13、第一连接座a14、第一直线导轨副a15、第一伺服电机a16，所述第一轴承座a12、第一滚珠丝杠副a13、第一连接座a14、第一直线导轨副a15均内置于所属第一壳体组件a11内，所述第一伺服电机a16竖直与所述第一壳体组件a11的外部，并通过减速齿轮组与所述第一滚珠丝杠副a13的丝杠的一端驱动连接，所述丝杠的另一端与所述第一轴承座a12连接，所述第一连接座a14固定于所述第一滚珠丝杠螺母副a15的螺母上，并且所述第一连接座a14的两侧与所述第一直线导轨副a15的两个滑轨固定连接，所述第一壳体组件a11固定于所述安装台的下端面，第一连杆c1的一端与所述第一连接座铰接，所述第一连杆c1的另一端与所述第二连接部2铰接，并且所述第一连杆c1与第二连接部2的铰接轴线也为第二轴线，具体的，所述第一伺服电机与第一滚珠丝杠副并排布置，所述第一伺服电机与第三齿轮驱动连接，根据需要可以在第一伺服电机a16与第三齿轮之间增设第一减速器a17,进一步提高输出力矩，所述第三齿轮与所述第四齿轮啮合，所述第四齿轮的一端与所述第一滚珠丝杠副a15的丝杠的一端同轴固定连接,通过第一伺服电机a16与丝杠的并排布置及第一壳体a11紧凑设计，来实现第一滚珠丝杠副a13及其驱动件的体积小、刚性强的结构，解决了第一滚珠丝杠副a13及其驱动件在狭小空间安装问题。同时通过小齿轮带动大齿轮来实现减速器的功能，随之传递力的过程中转矩也由此放大，并实现了小电机带动大负载的目的。
48.为了平衡第三连接部3的重力，设计了一种弯板式拉力平衡缸组件，所述弯板式拉力平衡杠组件包括月形连接板2a1、直线导轨副2a2、平衡缸2a3，所述直线导轨副2a2沿所述第二连接部2的长度方向与所述第二连接部2固定连接，所述平衡伸缩缸2a3也可为氮气弹簧，平衡伸缩缸2a3的一端与所述第二连接部2铰接，平衡伸缩缸2a3的另一端与所述直线导轨副2a2上的滑块2a4铰接，所述月形连接板2a1的凹弧面相对直线导轨副2a2布置，所述月形连接板2a1的一端与所述第三连接部3的尾部延伸端铰接，所述月形连接板2a1的另一端与所述直线导轨副2a2上的滑块2a4铰接。
49.所述第二驱动源a2包括第二壳体组件即两个并排布置的第二夹板)、第二轴承座a21、第二滚珠丝杠副a22、第二连接座a23、第二直线导轨副a24、第二伺服电机a25，此时第二壳体组件由两个第二夹板替代，具体连接结构与第一驱动源a1相似，此处不再赘述，需要说明的，第二伺服电机部a25采用与第二直线导轨副a22采用同轴直连的形式，具体在使用
时，可以根据实际情况在所述第二伺服电机a25与所述第二滚珠丝杠副a22之间增设第二减速器a26，提高输出力矩，具体如图8、图9，第四连接部4至少具有两种可更换的结构，用户根据实际需要在第四连接部4上增设有第五伺服电机6驱动回转的回转头7，实现第五轴旋转运动。
50.本实施例中，第一连接部1为机器人的回转台，第二连接部2为机器人的大臂，第三连接部3为机器人的小臂，驱动第二连接部2运动的丝杆传动组件巧妙的利用回转台及其驱动机构中间容置腔进行安装，驱动第三连接部3的丝杆传动组件利用大臂内的容置腔进行安装，驱动第四连接部4的丝杆传动组件利用小臂内的容置腔进行安装，故而缩小了机械臂的外部轮廓，使得机械臂的整体结构更加紧凑，外观更加简洁。
51.针对机器人本体是否安装拉力平衡部b和弯板式拉力平衡缸组件(月形连接板2a1、直线导轨副2a2、平衡缸2a3)，机器人在重负载的情况下可选配使用拉力平衡部b和弯板式拉力平衡缸组件，在轻负载的情况下可不装配拉力平衡部b和弯板式拉力平衡缸组件来降低制造成本，根据实际使用情况也可以搭配安装其中一个拉力平衡部b和弯板式拉力平衡缸组件。
52.所述第三驱动源a3包括滑槽安装座组件a31、第三连接头a32、缸体连接组件a33、螺母顶杆a34、第三滚珠丝杠副a35、第三伺服电机a36，所述第三连接头a32的两侧设置有滚动轴承a32a，所述滚动轴承a32a内置于所述滑槽安装座组件a31上开设的滑槽a31a内，所述螺母顶杆a34与所述滑槽安装座组件a31滑动连接，所述第三连接头a32固定于所述螺母顶杆a34的一端，所述第三伺服电机a36通过缸体组件a33转接固定于所述滑槽安装座组件a31上，所述第三滚珠丝杠副a35的丝杠一端与所述第三伺服电机a36连接，所述第三滚珠丝杠副a35的丝杆的另一端与所述螺母顶杆a34配合连接，第三连杆c3的一端与所述第三连接头a32铰接、所述第三连杆a32的另一端与所述第四连接部4铰接，第三驱动源a3的结构的关键是解决螺母顶杆a34在顶出时受外部偏载力的影响导致的螺母顶杆a34变形、第三滚珠丝杠副a34寿命缩短等问题，解决此问题的方法是在第三驱动源的前端增加了滑槽安装座组件。使其固定在第三连接头a32上的两侧滚动轴承a32a能顺畅的在滑槽a31a内前后滑动，实现导向功能，即解决了螺母顶杆a34伸出后的轴向与径向两个载荷问题，从而保证丝杆模组的使用寿命。此结构的设计同时解决丝杆模组在小臂狭小空间内的安装问题。
53.以上所述本实用新型的具体实施方式，并不构成对本实用新型保护范围的限定。任何根据本实用新型的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围内。